[论文解读] Central exclusive diffractive Higgs boson production in hadron-nucleus and nucleus-nucleus collisions at the LHC

E. Levin, J. Miller|ArXiv.org|Jan 23, 2008

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 10被引用 4

一句话总结

该论文表明，在大型强子对撞机（LHC）的质子-金和金-金碰撞中，中心电荷交换双色散Higgs玻色子产生过程主要由光子-光子融合主导，而非胶子-胶子融合，原因在于前者的生存概率显著更高。在质子-金碰撞中截面达到0.64 pb，在金-金碰撞中达到3.9 nb，使得光子融合成为一种可行且理论上可计算的Higgs玻色子探测路径，背景极低。

ABSTRACT

In this paper, it is shown that in hadron-nucleus and nucleus-nucleus collisions, the main source for central exclusive diffractive Higgs production is photon-photon fusion. At the LHC energy, the total cross section for this process is about 0.6 pb (for proton-gold scattering), and 3.9 nb (for gold-gold collision) while the gluon-gluon fusion leads to the value of the cross section for CED Higgs production which is about 0.1 nb and 3.9 pb respectively.

研究动机与目标

• 评估在LHC能量下，质子-核与核-核碰撞中中心电荷交换双色散Higgs玻色子产生的可行性。
• 比较在核碰撞中通过胶子-胶子融合与光子-光子融合产生Higgs玻色子的截面。
• 量化生存概率在抑制非本征过程并增强核碰撞中Higgs产生信号可见性方面的作用。
• 评估由于可计算的生存概率，光子-光子融合作为主导机制在理论上的稳健性。
• 确立核碰撞相较于质子-质子碰撞，为通过独家弹性过程探测Higgs玻色子提供了更优越的环境。

提出的方法

• 采用Glauber多重散射方法计算核碰撞中中心电荷交换弹性过程的生存概率。
• 使用与碰撞参数有关的不透明度模型，结合核密度分布（Wood-Saxon参数化），计算质子-核与核-核体系的指数衰减因子exp(−Ω(b))。
• 计算γγ → Higgs与gg → Higgs过程的硬振幅A_H(b)，表明γγ融合的b依赖性比gg融合更平坦。
• 应用生存概率公式⟨|S²|⟩ = ∫ d²b A_H(b) exp(−Ω(b)) / ∫ d²b A_H(b)，以计算有效截面抑制。
• 利用总质子-质子截面（110 mb）和核厚度函数，计算Ω(s,b) = σ_tot × T_A(b)（金核）。
• 将pp截面按A²缩放以计算胶子融合，按Q_A² × ⟨|S²|⟩缩放以计算光子融合，其中Q_A为核中质子数。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在质子-金与核-核碰撞中，中心电荷交换Higgs产生主要由光子-光子融合而非胶子-胶子融合主导？
• RQ2 生存概率在抑制非本征过程并增强核碰撞中Higgs产生的信号方面起到何种作用？
• RQ3 γγ与gg融合的硬振幅在b空间中的不同依赖关系如何影响核环境中生存概率？
• RQ4 核碰撞中中心电荷交换Higgs产生的截面是否能达到实验可测量水平？
• RQ5 与质子-质子碰撞相比，核碰撞中通过光子融合产生Higgs时，理论不确定性的减少程度如何？

主要发现

• 在质子-金碰撞中，γγ → Higgs融合的生存概率约为0.8，而gg → Higgs融合的生存概率可忽略不计（~10⁻⁶），原因在于γγ硬振幅的b依赖性更平坦。
• 在LHC的质子-金碰撞中，通过γγ融合实现的中心电荷交换Higgs产生截面估计为0.64 pb，显著高于胶子-胶子融合的0.1 nb。
• 在金-金碰撞中，γγ融合截面达到3.9 nb，而gg融合截面仅为3.9 pb，后者因生存概率被极端抑制而微弱。
• 在金-金碰撞中，γγ融合的增强因子约为3.9×10⁷，源于Q_A⁴的标度，使其成为主导机制。
• γγ融合的理论截面可计算且无模型依赖，使其成为LHC中探测Higgs玻色子的稳健且有前景的通道。
• 核碰撞为通过中心电荷交换弹性过程探测Higgs玻色子提供了有利环境，因其具有高生存概率和可测量的截面。